MATERIÁLOVÁ PROBLEMATIKA PŘI SEPARACI PLYNŮ A PAR Ing. Miroslav Bleha, CSc. Ústav makromolekulární chemie AV ČR, v.v.i.
[email protected]
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY
Membrány - separační medium i chemický reaktor Membránové materiály – příprava, vlastnosti Polymerní membrány – charakteristika a oblasti využití
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Definice membrány – selektivně propustná bariéra transportu částic
Funkcionalizovaná membrána – bioreaktor, membránový reaktor Projekt 7 RP - DEMCAMER
ROZDĚLENÍ MEMBRÁN podle tvaru ploché listy (tabulární moduly) trubice (tubulární moduly) spirálově vinuté dutá vlákna kapalné membrány
Ploché listy Dutá vlákna
Tubulární moduly
Modul se spirálově vinutou membránou
ROZDĚLENÍ MEMBRÁN přirozené – umělé anorganické – organické – hybridní porézní – neporézní homogenní - nehomogenní
Selektivní vrstva
Porézní nosič
mikroporézní vrstva
mezoporézní mezivrstva
makroporézní nosič
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY „MEMBRANE SCIENCE“ membrány:
výběr materiálu – polymery, keramika, kovy příprava, charakterizace transportní vlastnosti moduly, technická výbava
dělené systémy:
kapalina – pevná fáze kapalina – kapalina kapalina – plyn plyn – plyn
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Materiály pro přípravu – výrobu membrán polymery - organické sloučeniny, přírodní materiály anorganické látky kysličníky Si, Al, Zr,Ti; zeolity,perovskity, kovy Fe, Pd kapalné sloučeniny oximy, aminy v poresní matrici=SLM biologické preparáty lipidové dvojvrstvy, protein=transportní medium
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Polymery: fluoropolymery polyimidy substituované polyacetyleny Přírodní materiály: celulóza a deriváty, chitosan
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Vlastnosti polymerů základní strukturní jednotka a jejich počet v řetězci složení polymerů – homopolymer, kopolymer stereoisomerie - isotaktický, ataktický, syndiotaktický řetězec - isomerie funkčních skupin uspořádání polymerních řetězců - lineární polymer, kopolymer - rozvětvený polymer, kopolymer - síťovaný polymer, kopolymer - blokový kopolymer - roubovaný kopolymer interakce mezi polymerními řetězci flexibilita (pohyblivost) polymerního řetězce
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Polymery Polymerní řetězec strukturních jednotek – monomerů stupeň polymerizace, molekulová hmotnost, určuje vlastnosti, nC2H4 – plyn, kapalina, vosk, plast polymer – kopolymer SBR, NBR, ABS, EPDM, EVA, SIS (blok kopolymer) kopolymery AAAAABBBBBBAAABBBBBBBAAAAAAAA block AABABBABABABAAABABBABABABAABB „random“ AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA graft B B B B B B B B B B B B
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY polymery, kopolymery lineární, větvené, síťované stereoizomerie vinylderiváty CH2=CHR polypropylen, polybutylen, polystyren, polyvinylchlorid, polyakrylonitril, polyvinylalkohol, polymetakrylát, polyvinylpyrolidon ataktický, isotaktický, syndiotaktický polymer souvislosti: krystalinita, permeabilita cis – trans isomerie na dvojné vazbě isopren = poly-2-methylbutadien
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Polymery Interakce řetězců - vzájemné vlivy dipól efekty polárních substituentů (OH,CO,J,Br,Cl,F) disperzní síly (fluktuace elektronové hustoty na řetězci) vodíkové vazby – nejsilnější sekundární efekt (-N…H…N-) Strukturální faktory ovlivňují charakter polymeru Tg – teplota skelného přechodu (změna skelného stavu na kaučukovitý) a krystalinita změny volného objemu v makromolekule vliv na mechanické, tepelné, chemické a permeační vlastnosti
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Polymery Tepelná a chemická stabilita charakteristické konstanty - Tg a Tm zvýšení stability je dáno faktory které zvyšují Tg, Tm a krystalinitu složení kopolymeru – resonanční struktura aromatických kopolymerů isomerie - pohyblivost řetězců Elastomery
teplota použití je v porovnání s Tg vyšší PDMS (-123°C), přírodní kaučuk (-72°C), butylkaučuk (-65°C), polyisopren (-73°C)
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Polymerní blendy Směs dvou nebo více polymerů či kopolymerů homogenní blendy složky mísitelné na molekulární úrovni (jedno Tg, aplikační vlastnosti mezi hodnotami složek) heterogenní blendy složky omezeně mísitelné dvě nebo více hodnot Tg, neurčené aplikační vlastnosti, kompatibilizátor
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Anorganické materiály Keramické poresní materiály kysličníky Al, Ti, Zr, Si keramický prášek – suspense roztoku pojiva – sušení – vypálení (sintering 1000 – 1800 °C) perovskity – BSCFO (Ba,Sr,Co,Fe,O) La, Sr,Co,Fe suspense, prášek, sušení 400°C, pražení 800°C, vypálení 1300°C, zeolity – přírodní, syntetické mřížkové struktury s centrálním atomem Si, Al Kovové materiály sintrované prášky, homogenní Pd
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Vliv složení a struktury materiálu na jeho separační charakteristiku porozita při separaci plynů Knudsenova difuze neporézní membránové typy struktura materiálu – skelný/kaučukovitý stav afinita plynu k materiálu membrány P=D.S selektivita dělení inertních a „kondenzovatelných“ plynů
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Vliv složení a struktury materiálu na jeho separační charakteristiku selektivní vlastnosti vybraných polymerů anorganických materiálů
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Vliv složení a struktury materiálu: Polyimidy, polyestery, polyamidy rigidní dvojvalentní strukturní jednotky stericky nemožná úplná rotace (360º) více než 50% řetězce má strukturu aromátu skelný stav polymeru polyimidy – diaminy + dianhydridy kyselin zvýšení sorpční selektivity - modifikace PEO zvýšení difuzní selektivity - modifikace síťováním
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Vliv složení a struktury materiálu: Polyacetyleny polydiarylacetyleny a jejich deriváty substituované polyarylacetyleny poly[1-(trimethylsilyl)-1-propyn] skelný stav polymerů = selektivita dle velikosti molekul plynů polymery selektivní pro velké molekuly
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Vliv složení a struktury materiálu: Zeolity variace krystalické struktury separace CO2-CH4 , CH4 a uhlovodíky Polymerní elektrolyty komplexní polymerní soli Ag, Cu, Co, Fe s PEO, PA12-PTMO, PVP, PVMK,Pebax, CA
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Perspektivy rozvoje membrán chemie polymerů, anorganických kompozitů kovů hybridních struktur inovace technologií výroby membrán nanotechnologie modifikované materiály optimalizace kvality
MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY Závěry Membrána - základní součást membránového procesu Struktura a složení membrány určuje její efektivitu Rozhodující parametry - selektivita a propustnost pro vybranou látku, částici Literatura: Membránové procesy, VŠCHT 2012 Materials Science of Membranes for Gas and Vapor Separation, Wiley 2006
Děkuji za Vaši pozornost
